Dynamický rozsah digitálních fotoaparátů

Dynamický rozsah je mezi fotoamatéry často diskutované téma. Přesto je to oblast, ve které lidé často tápou, což je podpořeno všemožnými testy a grafy na odborných serverech, ve kterých každému vychází obvykle dost odlišné hodnoty. Aby toho tedy nebylo málo, přicházím se svou troškou na téma dynamický rozsah (aniž bych si chtěl dělat nároky na módnost, samozřejmě).

Začnu hned definicí dynamického rozsahu, která je obecná, strohá a jednoduchá a zní asi takto:

Dynamický rozsah je poměr mezi nejvyšší a nejnižší hodnotou dané fyzikální veličiny.

Protože je dynamický rozsah pojem hodně široký, je i definice hodně obecná. Nejčastěji se dynamický rozsah udává jako vlastnost nějakého záznamového zařízení (zvukového, obrazového apod.), v našem případě jde tedy o vlastnost digitálního fotoaparátu. Dynamický rozsah vyjadřuje poměr, čili bezrozměrné číslo. Ačkoliv by se mohl udávat přímo, např. 1024:1, ve fotografické praxi se nejčastěji vyjadřuje v relativních jednotkách EV.

Malá odbočka k EV

EV (Exposue Value – expoziční hodnota) je empiricky stanovená „jednotka“. Empiricky znamená to, že se jednou sešlo pár lidí a řekli si, že by bylo fajn nějak standardně udávat expoziční hodnoty. A tak se dohodli, že 0 EV bude odpovídat intenzitě světla, při které je „správně exponovaný“ film při cloně 1, času 1 s a ISO 100. To je tzv. absolutní význam této jednotky. EV 1 pak znamená dvojnásobné množství světla, EV -1 poloviční, EV +2 čtyřnásobné, EV +3 osminásobné atd. Jedná se tedy o exponenciální škálu při základu 2. Mnohem častěji se ovšem EV používá jako relativní jednotka. To znamená, že máme nějakou „správnou“ expozici, jejíž absolutní hodnota nás příliš nezajímá, ale kterou pomocí kompenzace expozice korigujeme do plusu či do mínusu (tedy vlastně přidáváme násobek či zlomek množství světla). Takže když při určité expozici přidáme 2 EV (ať už prodloužením času, nebo změnou clony), pustíme tím na senzor čtyřikrát více světla. Pokud naopak 2 EV ubereme, pustíme na čip čtyřikrát méně světla.

Používání EV jako absolutní jednotky je zejména v digitální fotografii poněkud nešťastné. Proč? Protože ona „správná expozice“ se váže ke střední 18% šedé. U DF, jako ostatně u všech digitálních záznamových zařízení, však dává větší smysl vztahovat vše k plně saturovanému snímači („na hranici přepalu“). To je totiž hranice, která je jasně daná, je inherentně spjatá s digitálním vyjádřením záznamu a není nijak ovlivněná dalšími okolnostmi (jako je gamma korekce, barvový prostor atd.). Navíc je toto v digitální fotografii skutečně ta „správná“ expozice (získá se nejkvalitnější digitální záznam).

Teoretický vs. užitný dynamický rozsah

Zpět k dynamickému rozsahu. Ve fotografii jde tedy o poměr mezi nejvyšší a nejnižší zaznamenatelnou intenzitou světla dopadajícího na snímač. Nejvyšší hodnota je vcelku jasná, je to maximální množství elektronů, které se vejdou do každé jednotlivé buňky snímače, což odpovídá také maximální hodnotě ve výstupním obrazu. Minimální hodnota je mnohem zajímavější, ale než abych se zamotával do technických detailů, podívám se na to z druhého konce.

Typická dnešní digitální zrcadlovka má jako výstup 12bitový RAW. Odezvu snímače lze považovat za lineární, to znamená, že dvakrát více světla na vstupu (dopadajícího na snímač) znamená dvakrát vyšší hodnotu na výstupu (tedy v RAW záznamu). A naopak – dvakrát méně světla znamená poloviční zaznamenanou hodnotu. Dvakrát méně světla je, jak víme, -1 EV.

To znamená, že pokud máme plně saturovaný snímač (budeme exponovat přesně na hranici přepalu, kterou pokládám za ± 0 EV), bude na výstupu hodnota 212 -1 = 4095. Pokud snížíme expozici o 1 EV, například zkrácením času expozice na polovinu, bude hodnota na výstupu také poloviční (2047). To ve dvojkové soustavě znamená 11 bitů s hodnotou 1 a dvanáctý bit nulový. Podobně, pokud zkrátíme expozici o další 1 EV, bude na výstupu 10 bitů zapnutých a dva vypnuté. Vidíme, že bity kopírují jednotky EV – každý bit odpovídá jednomu EV. Pokud tedy ± 0 EV odpovídá plně saturovanému snímači (hodnotě 212 -1 ~ 4095), pak - 1 EV odpovídá 211 - 1 (= 2047), - 2 EV odpovídá 210 - 1 (= 1023) až - 12 EV odpovídá 20 - 1 = 0.

Znamená to tedy, že pokud fotoaparát snímá ve 12bitovém RAW, má dynamický rozsah 12 EV, a tedy že bitová hloubka A/D převodníku odpovídá přímo dynamickému rozsahu? Jistě tušíte, že v tom bude nějaký háček. A taky že je. Je totiž nutné rozlišovat teoretický DR a užitný DR. Čistě teoretický rozsah 12bitového RAW by odpovídal 12 EV. To si lze představit tak, že v těch dvanácti bitech je dost čísel k tomu, aby se do nich dal zaznamenat obraz o rozpětí 12 EV. Zároveň to také znamená maximální dynamický rozsah – není možné do dvanáctibitového RAW zaznamenat rozsah třeba 13 EV. Ovšem nic není dokonalé, a tak i tady existuje jeden zásadní faktor, který nám tuhle pěknou logiku narušuje – ano, jde o šum. Při nízkých intenzitách světla (ve stínech) je signál vždy ovlivněn šumem, který znehodnocuje část obrazové informace (nelze rozeznat, co je obraz a co šum). Míra šumu (resp. odstup signál/šum) omezuje dynamický rozsah „zdola“. Viz následující obrázek.

Dynamický rozsah

Existuje několik druhů šumů podle příčiny vzniku, ale to je mimo téma tohoto článku. Pro dynamický rozsah je šum naprosto zásadní. Lze dokonce říci, že je míra šumu přímo určuje dynamický rozsah. Jakmile totiž známe odstup signál/šum, známe tím pádem i dynamický rozsah. Tohle je zásadní věc pro pochopení celého problému. Občas zaslechnu názory typu „tento fotoaparát sice více šumí, ale zase má lepší dynamický rozsah“, což nedává moc logiku a je to v rozporu s podstatou dynamického rozsahu. Šum a dynamický rozsah jsou prostě spojené nádoby.

Šum, stejně jako signál, s časem expozice roste, ovšem mnohem pomaleji. Dokonce jej lze při krátkých expozicích považovat za téměř konstantní. Proto je důležité ono pravidlo exponovat na hranici přepalu (na pravou stranu histogramu), protože tím signál jakoby utíká během expozice šumu a zvyšujeme tak odstup signál/šum, čímž maximálně využíváme dynamický rozsah.

Poznámky k technickým detailům:

  • V předchozím textu pro zjednodušení vůbec neřeším nějaké nádržky na elektrony ve snímači, ani nerozlišuju dynamický rozsah samotného snímače, A/D převodníku atd. Ve skutečnosti je to složitější – existuje DR samotného snímače a DR A/D převodníku. V praxi ovšem u 12bitových převodníků je limitem spíše DR snímače. Technicky je DR snímače poměr mezi maximální úrovní (plná saturace) a hodnotou vyčítacího šumu. Tedy přidáním dalších bitů převodníku znamená obvykle to, že se pouze zaznamená přesněji šum, ale už se nerozliší od signálu.
  • Některé fotoaparáty (typicky Canon) přidávají určité předpětí k signálu ještě před vstupem do A/D převodníku. To znamená, že v RAW není černá 0, ale nějaké vyšší číslo (u Canonu to bývá 128). Následně se tato hodnota odečte od všech dat, tj. horní limit není 4095, ale (u Canonu) 4095 - 128 = 3967. Tím se sice o malinko sníží využitelný DR (odřízne se kousek jasů), ale umožňuje to přesněji rozlišit šum ve stínech (který má průběh Gaussovské křivky zhruba okolo nuly, bez toho offsetu by jí byla pouze kladná polovina).

Gamma korekce, jpeg a tonální křivka

Už víme, že šum hraje v dynamickém rozsahu zásadní roli. Ve skutečnosti je to ovšem ještě horší než to může na první pohled vypadat. Vzhledem k linearitě snímače je každý další expoziční stupeň vyjádřen dvojnásobným číslem. To znamená, že zatímco ve světlech máme jeden nejvyšší EV rozdělen na celých 2048 stupňů (4095 - 2047), na druhé EV už je to jen polovina (1024 stupňů) atd. až na předposlední EV jsou k dispozici dva stupínky a na poslední, dvanácté EV, zbývá pouhý jeden jediný stupeň! Je jasné, že se jakýkoliv šum okamžitě projeví a užírá nám potřebné EV opravdu velmi rychle. A to jsme pořád ještě v lineárním prostoru.

Při každém zpracování fotky z RAW dochází k okamžiku, který se nazývá gamma korekce. Tímto krokem se celá ta lineární škála důkladně zdeformuje, takže ve výsledku je každý EV rozdělen na zhruba stejný počet tonálních stupňů-hodnot. Pro další zpracování obrazu je sice obvykle výhodné, že je celý prostor více homogenní, ale přináší to s sebou i negativa. Například pouhou gamma korekcí se ztrácí poměrmě velké množství stupňů hlavně ve světlech. Je to proto, že gamma korekcí dochází ke zhuštění tonálních stupňů ve světlech a naopak k jejich roztažení ve stínech. To je problém, protože ve stínech máme už tak velmi málo hodnot a tímto krokem je od sebe ještě roztáhneme, čímž zároveň zvýrazníme i šum (a kvantizační chyby). Pokud se k tomu přičte další transformace způsobená tonální křivkou (většinou ve tvaru výrazně prohnutého S), je hladina šumu někde jinde, než byla v původním RAW záznamu. Proto jsou stíny tak kritickou částí fotografií a jakékoliv pochybení v expozici či v následném zpracování se okamžitě projeví nárůstem šumu ve tmavých partiích obrazu.

Na některých webech (např. na dpreview.com) lze nalézt měření dynamického rozsahu jednotlivých fotoaparátů, podložené pěknými grafy s různě zprohýbanými křivkami a naznačenými úrovněmi, kde údajně začíná a končí dynamický rozsah. Někdy se takovéto křivky, po vzoru křivek filmových materiálů, nazývají křivkami senzitometrickými. Co tyhle křivky znamenají a co vypovídají o skutečném dynamickém rozsahu? Vzhledem k tomu, že tyto křivky jsou většinou konstruovány ze souborů JPEG, vypovídají více o továrním nastavení tonálních křivek ve fotoaprátu, než o něčem, co by se dalo nazývat měřením dynamického rozsahu. Vezměme v úvahu, jakými kroky signál projde, než se z něj stane taková křivka:

  • čip → A/D převodník → RAW
  • vyvážení bílé, demozaicing
  • aplikace tonální křivky, kontrastu, doostření apod.
  • konverze z nativního do nastaveného barvového prostoru (většinou sRGB nebo AdobeRGB)
  • konverze z 12 (14) do 8 bitů
  • jpeg komprese
  • a v tomto bodě se měří „senzitometrická“ křivka a určuje dynamický rozsah

Z výše popsaných důvodů nepovažuji takovéto měření za příliš vypovídající. Vypadá to hezky, ale vypovídá to spíš o vnitřních algoritmech a nastavení softwaru ve fotoaparátu, které se při focení do RAW stejně většinou neuplatňují. Čili pokud použijete jiný RAW konvertor, můžete dosáhnout o dost odlišných výsledků. Dalším problémem udávaných DR je, že neexistuje jednotná metodika pro určování odstupu signál/šum, a tedy každý může mít jinou toleranci k šumu. Pokud se navíc měření provádí na datech, která prošla i nějakým odšumovacím algoritmem (což bývá často nedílná součást RAW konvertorů), jsou tím pádem výsledné dynamické rozsahy z různých testů nesouměřitelné.

Závěr

A co z toho všeho vyplývá?

  • Dynamický rozsah je přímo závislý na míře šumu snímače. Míra šumu je přímo závislá na rozměrech světlocitlivých buněk. Proto je i dynamický rozsah závislý na celkové velikosti snímače.
  • Dynamický rozsah snímače využijete naplno pouze v případě, že exponujete těsně pod hranici přepalu (na pravou stranu histogramu; v angličtině se pro to ustálila fráze expose to the right). Jakákoliv podexpozice se tvrdě vymstí. Je nutné si uvědomit, že podexpozice o 1 EV sníží využitý dynamický rozsah i o více než 1 EV! Pokud je fotka příliš světlá, podexponujte ji softwarově až při zpracování RAW. Dosáhnete kvalitnějšího výsledku s menším šumem než při podexpozici přímo ve fotoaparátu.
  • Vícebitové převodníky neznamenají automaticky vyšší dynamický rozsah (ale malý vliv mít mohou), ani nemají vliv na jemnější gradace v obloze či pleťových odstínech, jak se často tvrdívá – pouze přidávají další bity ve stínech na úrovni šumu.
  • Foťte do RAW. Jen tak budete schopni vytáhnout z fotky maximum.
  • Neberte příliš vážně údaje o dynamickém rozsahu fotoaparátů. Neexistuje všeobecně uznávaná a používaná metodika měření, a tak si každý může cucat z prstu údaje, jaké se mu zrovna hodí (čti: používat metodiku, jakou chce).
  • Raději běžte fotit :)

Další materiály

Datum: 29. 5. 2008, Autor: Karel Fučík

Komentáře (10)

  • 1
    Kamil Übelauer / ubekam10. 6. 2008, 7.26
    Zdravím Tě , Karle
    Díky za tento článek . Různých pojednání na toto téma je na netu několik , po přečtení Tvých řádků mám ale pocit , že jsem jaksi "více v obraze ..." . Asi je to tím , žes to dokázal napsat srozumitelně ......
    měj se .
  • 2
    Michal11. 10. 2008, 22.09
    Díky za články!!! Chtěl jsem se zeptat,jaký RAW konvertor používáte, který je ten nej?
    Děkuji a přeji dobré světlo !!!
  • 3
    karf (web)12. 10. 2008, 12.29
    [2] Michale, díky za komentář. V současné době používám RAW konvertor DPP od Canonu. Nevím, jestli je nej, ale pro mě má nejlepší workflow a některé vlastnosti, které RAW konvertory třetích stran prostě nemůžou nabídnout. Navíc mi nevyhovuje nabobtnalé a neohrabané GUI Lightroomu a nejnovějších verzí Capture One.
  • 4
    maxov18. 11. 2009, 8.59
    Dá se říct, že nativní konvertor RAW od výrobce fotoaparátu umí lépe využít vlastnosti vyfoceného RAWu?
  • 5
    karf19. 11. 2009, 9.42
    [4] Nevím, jestli to lze říct takto obecně, každopádně u Canonu některé meta informace obsažené v RAWu umí zpracovat jen nativní konvertor (DPP) - například do RAWu umí ukládat parametry pro konverzi. Nicméně to nezaručuje lepší obrazovou kvalitu.
  • 6
    Emil (web)17. 4. 2010, 23.50
    Moc pekny clanek a krasne vysvetleny DR. Nastesti jesm takovou vec pouzil asi jednou kdyz jsem experimentoval s HDR. Ale fotim vsechon na RAW a pre Camera Raw 5.6 dostavam foto do Photoshopu kde je nasledne upravim. A vsechno ok. Normalne uz me rozciluje kdyz me nekdo rekne a vis jak velky DR ma ten fotak? A ja mu odpovim NO A co a potom jsem za neznaleho:)) Ale me to nevadi a fotim dale jenom v RAW a EV na nule. No a jinka dik za pekny clanek.
  • 7
    Cr3d1ts31. 12. 2010, 13.25
    Výborný článek, chválím!
  • 8
    E.C.22. 4. 2011, 12.05
    Dík za článek, přesto, že z něj mám v hlavě ještě větší guláš, než jsem měl předtím. Rozumím tomu tak, že nejlépe je dynamický rozsah aparátu před případnou koupí vůbec nezkoumat. :-)))
  • 9
    Tom14. 11. 2012, 12.06
    Moc pěkné články. Pokud jde o ten šum a jeho odstranění ještě ze surového snímku, existuje metoda pro "náročné", kterou používáme na hvězdárnách a bez které bychom se neobešli při fotografování hvězdné oblohy (slabých vzdálených objektů, jako jsou mlhoviny, galaxie apod.). Exponováním se zavřenou závěrkou (zakrytým objektivem) stejným expozičním časem, při stejné teplotě čipu dostaneme tzv. temný snímek, který odečteme od našeho snímku, zatíženého šumem. Tím se šum téměř odstraní a můžeme pracovat i s obrazem, který byl v šumu ukrytý. Tato operace se ale samozřejmě musí udělat jako první, před veškerými dalšími úpravami.
  • 10
    MzM28. 4. 2015, 16.12
    Pěkné. Možná by šlo dodat, že šumí i samotné světlo, tam se pak uplatní ty kyblíčky.
    Taky by se mohlo napsat, že DR a šum se má k sobě jako frekvence a perioda (ono to tam v podstatě je).

    A dovolím si nesouhlasit, že více bitů je vidět jen v temných oblastech. I ve světlé oblasti se jeden přechod rozdělí na více hodnot.

    Jinak výstižné.

    K další tvorbě držím palce.

Přidat komentář

  (nebude zveřejněn)

Ochrana proti spamu (prosím, zodpovězte následující otázku):

Položky označené * jsou povinné.

Nejnovější komentáře